工程流體力學實驗指導書(石油工程)

1、工程流體力學 實驗指導書開 課 單 位 :機械電子工程系開課實驗室:機械電子工程系流體力學實驗室編寫:鄧曉剛審核:李良(三伯努利能量方程實驗測定一、實驗目的1、觀察流體流經能量方程試驗管的能量轉化情況,對實驗中出現的現象進行分析,加深對 能量方程的理解;2、掌握流速、流量、壓強等動水力學水力要素的實驗量測技能: 3、驗證靜壓原理。4、進一步掌握有壓管流中,動能、壓能和位置能三者之間的轉換關系。 5、測定管道的測壓管水頭和總水頭值,并繪制管道的測壓管水頭線及總水頭線。二、實驗設備本實驗臺由壓差板、實驗管道、水泵、實驗桌和計量水箱等組成。 圖 3.1 能 量 方 程 實 驗 臺 示 意 圖每一組測

2、壓管都有兩種不同的測點位置:一種是測點處于管道中心位置,稱為畢托管測壓管(后續(xù)課堂內容會講到 ,測量對應截面的總水頭 g u g p Z H 22+=(全壓 。注意這里的速度 u 為管道中心處的點流速,與截面平均速 度 v 有所差異。但在紊流狀態(tài)下兩者之間差異有限。另一種是測點處于管道壁面,稱為普通測壓管,測量對應截面的靜壓頭,即只包含 Z 和gp 兩項。全壓與靜壓之差,稱為動壓,即 gu 22。三、實驗準備工作1、熟悉實驗設備,分清畢托管測壓管和普通測壓管的區(qū)別以及各自表征的物理量。 2、接上各導壓膠管;3、檢驗測壓板是否與水平線垂直;4、啟動電泵使水工作循環(huán),檢查各處是否有漏水的現象。5、

3、用手堵住出水口突然放水,重復幾次,直至使實驗管中的氣泡排除。關閉尾閥,檢查各 個測壓管水位高度是否在同一水平線上, 如果不在同一水平線上, 說明有氣泡存在, 必須全部排 除。否則測量數據無效。四、實驗步驟1、驗證靜壓原理:啟動電泵, 關閉給水閥, 此時能量方程試驗管上各個測壓管的液柱高度相同,因管內的水不 流動沒有流動損失, 因此靜水頭的連線為一平行基準線的水平線, 即在靜止不可壓縮均勻重力流 體中,任意點單位重量的位勢能和壓力勢能之和(總勢能保持不變,測點的高度和測點位置的 前后無關,記下四組數據于表二的最下方格中。2、測速:能量方程試驗管上的四組測壓管的任一組都相當于一個畢托管, 可測得管

4、內任一點的流體點 速度, 本試驗已將測壓管開口位置在能量方程試驗管的軸心, 故所測得的動壓為軸心處的,即最 大速度。畢托管求點速度公式: gh u 2=利用這一公式和求平均流速公式(F Q V /=計算某一工況(如表中工況 2平均速度欄 各測點處的軸心速度和平均流速得到表 3.1。在能量方程中,使用截面平均流速 v=Q/A。表 3.1 3、觀察計算流體、管徑,能量方程試驗管(伯努利管對能量損失的情況:在能量方程試驗管上布置八對測壓管,測量 1-1、 2-2、 3-3、 4-4、 5-5、 6-6、 7-7、 8-8截面上 的總壓和靜壓, 全開給水閥門,觀察總壓沿著水流方向的下降情況,這說明流體

5、的總勢能沿著流 體的流動方向是減少的, 改變給水閥門的開度, 同時用計量水箱和秒表測定不同閥門開度下的流 量及相應的八組測壓管液柱高度,記在數據表 3.2中。根據以上數據和計算結果,繪出流量下的各種水頭線,并解釋圖中現象。HS能量曲線圖4、自行設計一個表格,用所取得的數據,計算突然擴大斷面和突然縮小斷面的局部水頭損 失及局部阻力系數。 (如單獨開設阻力損失實驗,這一部分計算可以不做 五、結束實驗全開閥門,把管道內的水放掉,然后關閉各閥門。六、思考1、為什么截面 3和 4的直徑一樣,但截面 3處的動壓遠遠小于截面 4的動壓?2、閥門全關時,為什么所有截面的水頭高度會一樣?3、為什么截面 4的動壓

6、會小于截面 1的動壓?4、分析表一的數據,結合連續(xù)性方程,討論不可壓縮流體穩(wěn)定流動時,管徑與流速之間的 關系。表 3.2 實驗數據表 倆測點間距離:L 1-2=250mm; L 2-3=332 mm; L 3-4=500 mm; L 4-5=174 mm; L 5-6=250mm4(四雷諾數的測定一、實驗目的1、用實驗方法觀察液體層流、紊流的流態(tài)區(qū)別及其相互轉換的過程。以加深對層流、紊流 形態(tài)的感性認識。2、測定臨界雷諾數,掌握圓管流態(tài)判別準則;3、學習古典流體力學中應用無量綱參數進行實驗研究的方法,并了解其實用意義。二、實驗裝置 如圖 4.1所示。供水流量由調速器控 制, 使恒壓水箱 4始終

7、保持溢流狀態(tài), 以 穩(wěn)定進口處水體壓力。 穩(wěn)水隔板的作用是 使水面的擾動時間縮短。 有色水調整流量 后,經水管 5注入實驗管道 8,根據有色 水散開與否判別流態(tài)。 為防止自循環(huán)水體 污染, 有色指示水采用自行消色的專用色 水。三、實驗原理同一種液體在同一管道中流動,當 流速不同時, 液體在運行中有兩種不同的 流態(tài)。 當流速較小時, 管中水流的全部質點以平行而不互相混雜的方式分層流動, 這種形態(tài)的游體流動稱為層流。 當流速較大時, 管中水 流各質點間發(fā)生相互混雜的運動,這種形態(tài)的液體流動稱為紊流。圖 4.1 雷 諾 實 驗 臺1、 自 循 環(huán) 供 水 器 ; 2、 實 驗 臺 ; 3、 調 速

8、器 ; 4、 恒 壓 水 箱 ; 5、 有 色 水 水 管 ; 6、 穩(wěn) 水 板 ; 7溢 流 板 ;8、 實 驗 管 道 ; 9-流 量 調 節(jié) 閥44Re d K KQ d Qvd=實驗中, s m /10126-=。在 106實驗室和 109實驗室中的雷諾實驗儀器,直徑值不同。 請注意記錄 106實驗室中黑板上的原始數據。臨界雷諾數有兩個:當流量從 0開始逐漸開大, 當紅線散開時將產生一個上臨界雷諾數 1Re c ; 當流量由大逐漸關小, 當紅線聚成一條穩(wěn)定直線時, 產生一個下臨界雷諾數 2Re c 。 上臨界雷諾數 受干擾較大, 數值不穩(wěn)定, 有時候會得出臨界雷諾數高達幾萬的結果。 而

9、下臨界雷諾數相對較穩(wěn) 定。雷諾經反復實驗,測得圓管水流的下臨界雷諾數 2Re c 為 2320。這也作為了層流、紊流的流 態(tài)判別依據。四、實驗步驟1、記錄本實驗的有關常數(實驗管道直徑 d 、水的運動粘度 。2、打開水泵,使水箱充水至溢流水位。水面穩(wěn)定后,微微開啟調節(jié)閥 9,調整有色水流量 控制閥,將有色水注入實驗管道內,有色水形成一直線。再逐步開大調節(jié)閥 9。觀察層流、紊流 兩種流態(tài)的變化。記錄在紊流的幾種不同狀態(tài)下的流量。3、測定下臨界雷諾數。將調節(jié)閥 9開得較大,使管中完全紊流。逐步關小調節(jié)閥,每調節(jié) 一次,需等待一段時間,紅線穩(wěn)定后再觀察其形態(tài),直至紅色水流成一直線為止。此時表明紊流

10、轉化為層流。此時的雷諾數稱為下臨界雷諾數。用量筒、秒表測量此時的流量,計算水流速度。4、將調節(jié)閥 9開大,從步驟 3開始重復,記錄 3組數據。5、將三次測量的數據進行處理,計算各次的下臨界雷諾數,記錄在數據表中。 注意事項:1、緩慢調節(jié)閥門,尤其當流量較小時,每一次的調節(jié)量要注意控制。每次調節(jié)閥門后,都 須等待水流穩(wěn)定,即停留 15秒以上。2、調節(jié)閥門的過程中,只許逐漸關小閥門,調節(jié)過程中不許開大閥門。3、水箱進水量調到合適位置,保持有少量溢水即可。如果進水量過大,將增大水箱液面處 的位置波動,從而導致管道內壓力波動。4、 由于上臨界雷諾數不容易得到一個固定值,且參考意義不大,所以在實驗中不要

11、求測定。五、實驗數據記錄及計算 六、思考1、雷諾數的量綱是什么?2、如果閥門從小逐漸開大,所得到的上臨界雷諾數為何數值有時候會較大?3、下臨界雷諾數,在測量計算的過程中,受到哪些因素的影響?(五節(jié)流式流量計測量實驗一、實驗目的1.了解文德里和孔板流量計測流量的原理及其簡單構造。2.繪出壓差與流量的關系,確定文丘里流量計和孔板流量計的系數 。二、實驗原理文丘里流量計是在管道中常用的流量計。它包括收縮段、喉管、擴散段三部分。由于喉管過 水斷面的收縮, 該斷面水流動能加大, 勢能減小, 造成收縮段前后斷面壓強不同而產生的勢能差。 此勢能差可由壓差計測得?？装辶髁坑嬙砼c文丘里流量計相同, 根據能量方

12、程和連續(xù)方程可得出不計阻力作用時的文 德里流量計 (孔板流量計 的流量計算公式:h K Q =理武中:gdD d D k 242222-=(孔板 ;gD d A k 242-=(文丘里( (2211gp z g p z h +-+= 根據實驗室的設備條件,管道的實測流量 Q 實可由體積法測出。在實際液體中,由于阻力的存在,水流通過文德里流量計 (或孔板流量計 時有能量損失,故 實際通過的流量 Q 實 一般比 Q 理 稍小,因此在實際應用時,上式應予以修正,實測流量與理想流 體情況下的流量之比稱為流量系數,即理 實Q Q = (課本中,孔板流量計的流量系數,使用符號 。 三、實驗設備實驗設備與各

13、部分名稱如圖 5.1所示。1號 管2號 管3號 管圖 5.1 流 體 力 學 綜 合 實 驗 臺 示 意 圖四、實驗步驟1.熟悉儀器,記錄有關數據。 ,2.啟動水泵,打開總進水閘閥,使水進入管道系統;打開 1號管和 2號管的進水閘閥,確 認出水管有穩(wěn)定出流。3.檢查壓差計內是否有氣泡。如有氣泡,必須排除干凈。4.分別調整 1號管和 2號管進水閘閥,依次增大流量和依次減小流量。量測各次流量相應 的壓差值,使用體積法測量實際流量 Q (記錄水箱高度,使用秒表記錄時間 。每管各做 6次。 將數據記錄在表 5.1中。五、注意事項1.改變流量時,需待開關改變后,水流穩(wěn)定之后 (至少需 35分鐘 ,方可記

14、錄。2.當管內流量較大時,測壓管內水面會有波動現象?？勺x取波動水面的最高與最低讀數的 平均值作為該次讀數。六、思考題1.收縮斷面前與收縮斷面后相比,哪一個壓強大 ? 為什么?2實驗求出的 m 值是大于 l，還是小于 1？是否合理？ 3每次測出流量系數 m 值是否是常數?若不是常數則與哪些因素有關? 表 5.1 數據記錄和計算表格 數據組數 1 2 1 號 管 3 4 5 6 1 2 2 號 管 3 4 5 6 壓差計讀數 (cmH2O 水箱高度 時間（s） 測量流量 (m /s 3 實際流量(m3/s 結論：1 號管中，流量系數 a = ；2 號管中，流量系數 m = 10 （六）流動阻力水頭

15、損失測量實驗 一 、實 驗 目 的 和 要求 1、掌握管道沿程阻力系數 l 的測量技術； 2、通過測定不同雷諾數 Re 時的沿程阻力系數 l ，掌握 l 與 Re 的影響關系； 3、測量彎頭局部阻力系數 x 。 1 號管 2 號管 3 號管 圖 6.1 流體力學綜合實驗臺示意圖 二 、實 驗 儀 器 和 設備 實驗設備裝置如圖 6.1 所示。這臺實驗裝置可對不可壓縮流體流經管道系統的規(guī)律性進行比 較詳細的實驗研究。 利用這臺裝置可以進行的主要實驗項目如下： 1、滯流區(qū)和過渡區(qū)摩擦系數的測定利用 2 號管進行。 （見圖 1，下同） 2、不同直徑的管子湍流區(qū)磨擦系數的測定利用 1，3 號管子。 3

16、、螺旋槽管（相似于粗糙管）摩擦系數的測定。 4、認識文丘里流量計，測定它的孔流系數。 11 5、驗證孔板流量計的孔流系數。 6、對比孔板和文丘利兩種流量計的阻力損失。 7、認識畢托管流速計，利用畢托管測量管內流速。 8、測量 90°標準彎頭的局部阻力系數。 9、測量截止閥局部阻力系數。 10、測量突然擴大管局部阻力系數。 本實驗將使用 1 號管（水力光滑管） ，對層流、紊流狀態(tài)下的沿程阻力損失進行測量和計算 分析，弄清沿程阻力損失系數 l 和雷諾數 Re 的關系。對彎管局部阻力損失系數進行測量，找出 局部阻力損失與速度頭之間的關系。 1 號測管標稱直徑 40（實際內徑請按樣品管測量）

17、 ，測壓孔距為 2000 毫米。 三 、實 驗 原 理 1、沿程阻力系數 l 的測量與計算 由達西公式， hf = l × L v2 × d 2g 而沿程阻力系數 l ，在管道中不同流態(tài)情況下， l 值不相同。在水力光滑管中， l = f (Re ) 式中，d 為管道直徑，L 為研究管段的長度，hf 為沿程阻力損失水頭，由測壓管測量得出；v 為 斷面平均流速，通過量筒測單位時間液體體積求得。 Re = vd 雷諾數 u ，已知水的運動粘度u = 1´ 10-6 m 2 / s 0.3164 64 l= 4 Re Re ；紊流時，在水力光滑管內 層流時， l= 通過實驗，測量數據，計算指定管道內的沿程阻力損失系數 l ，并與理論值進行比較。 2、彎管局部阻力損失系數測量 根據計算公式： 實驗中， hj = x × v2 2g hj 通過測壓管 2 測出。計算出彎管局部阻力損失系數 x 四 、實 驗 步 驟 1、關閉泵出口閥，再打開潛水泵。 2、檢查各測壓管內是否有氣泡存在。如有氣泡，必